金属/介质纳米结构表面等离子激元增强电致发光器件

硅基电致发光器件和有机发光二极管（OLED）分别是硅基芯片级光互连及下一代平面显示的核心器件，在实现高速光信息传输与处理技术以及信息显示技术的跨越式发展方面具有举足轻重的地位。如何提高电光转换效率以及出光效率是这两种器件遇到的一个共同问题，也是国内外研究的重点。在多种改善器件发光特性的研究中，表面等离子激元(Surface plasmon polaritons, SPP)与光子相互作用研究成为近年来的热点。本项目将围绕SPP的光局域增强效应，通过构筑金属/介质纳米结构，调控电致发光器件中光场与SPP模式的耦合特性，来提高发光器件的电光转换效率以及出光效率，从而在高效硅基电致发光器件以及高出光效率OLED的研究中取得突破。我们希望通过本项目的实施，力争在基于新一代结构材料的光电子器件的研究中从物理机制、理论设计到工艺制备、测试技术等方面探索出一条具有我国自主知识产权的新路。

本项目围绕表面等离子激元（SPP）的光局域增强效应，通过构筑金属/介质纳米结构，调控电致发光器件中光场与SPP模式的耦合特性，来提高发光器件的电光转换效率以及出光效率，从而在高效硅基电致发光器件和高效有机电致发光器件（OLED） 的研究中取得了重要研究成果。.在OLED方面，利用Au、Ag、Pt3Co等金属纳米颗粒的SPP效应，分别使OLED的发光效率获得了25%、18%、123%的增强。同时，在OLED中采用不同方法引入微纳结构，利用胶体模板技术制备了二维准周期结构，使以Alq3为发光层的绿色OLED的电流效率提高了1.6倍；同时使基于Ir配合物为发光层的红色磷光OLED的电流效率提高了2倍以上，发光峰的电流效率增强了2.5倍。此外，通过纳米压印技术制备了纳米光栅结构，并将其构筑在OLED中，获得了具有高出光提取效率的OLED。例如，我们选择了嵌有蛾眼结构的OLED体系，结合具有多发光单元的叠层结构，从而获得了满意的光提取效率。使绿色磷光器件的电流效率由一般的62.3 cd/A达到了366 cd/A。.在硅基电致发光器件方面，我们成功设计并制备多种基于Au纳米颗粒掺杂的富硅氮化硅薄膜的光致发光器件，经过消光及PL等相关测试，发现器件在不同发光波段都得到了不同程度的增强。通过器件工艺的合理优化以及合适的结构设计，器件的最大荧光增强达到五十多倍；设计制备出了ITO/SiNx/Ag/Si 的多晶硅-绝缘体-半导体(MIS)结构电致发光器件，其峰值位于574 nm，与该材料结构在没有ITO 电极时所测得的PL 谱的峰值非常吻合。增加Ag 纳米结构的器件相对于SiNx 本身，发光特性产生了很大的改善。在金属纳米颗粒局域表面等离子体效应增强硅纳米晶光致发光的基础上，我们研究了硅基电致发光器件。利用金属纳米颗粒的局域表面等离子体增强效应，设计并制备了CMOS工艺兼容的硅PN结构电致发光器件。研究发现，金纳米颗粒能够极大改善器件发光特性，使得器件发光效率得到显著提高。特别是在PN结构发光器件中，金纳米颗粒对光传导模式的散射作用更加突出，使得器件的出光提取效率得到明显增强。同时，金颗粒的引入没有改变器件的载流子输运特性。.综上所述，本项目顺利完成了预定的研究计划，在基于新一代材料的光电子器件的研究中，从物理机制、理论设计到工艺制备、测试技术等方面取得了十分有意义的成果。